現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在火力發(fā)電廠的應用

　一、前言
　　
　　目前，現(xiàn)場總線技術(shù)已被廣泛認識，并逐步應用于實際工程中。十多年來，在國內(nèi)火力發(fā)電廠（以下簡稱火電廠）的熱工自動化領域，DCS控制系統(tǒng)的成功應用已得到了普及。如何在現(xiàn)有控制水平的基礎上，將現(xiàn)場總線技術(shù)應用于火電廠的熱工自動化控制系統(tǒng)中，需要對火電廠的多種因素進行綜合分析，選擇能充分發(fā)揮FCS優(yōu)勢的監(jiān)控項目，采用FCS現(xiàn)場設備，以節(jié)省的布線方式，*的數(shù)字化通信，完成對生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制功能。作者試結(jié)合火電廠熱工自動化技術(shù)的發(fā)展，提出將現(xiàn)場總線技術(shù)或FCS設備應用于建立全廠輔助公用系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡，單位項目的監(jiān)控以及設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)的設計思路。
　　
　　二、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）在火力發(fā)電廠的應用
　　
　　如何在火電廠成功地應用現(xiàn)場總線技術(shù)，設計的合理性、優(yōu)化性將是成功應用的關鍵。要實現(xiàn)成功的設計，就要明確現(xiàn)場總線技術(shù)在火電廠的應用功能和應用原則，進而在實際工程項目中，選擇合理的應用范圍。
　　
　　（一）FCS在火力發(fā)電廠的應用功能
　　
　　1．FCS的技術(shù)特點和優(yōu)勢
　　
　　（1）FCS的技術(shù)特點。概括起來，F(xiàn)CS的技術(shù)特點主要表現(xiàn)在兩個方面，其一是總線通信網(wǎng)絡方面，F(xiàn)CS總線通信具有開放性，它可將滿足已規(guī)定通信協(xié)議的不同廠商的產(chǎn)品進行通信互聯(lián)，實現(xiàn)信息共享。FCS總線區(qū)別于其他網(wǎng)絡的主要特點是，F(xiàn)CS總線應用于工業(yè)現(xiàn)場級，它的通信功能不僅僅是傳遞信息，而且承擔了完成各種工業(yè)自動化任務。FCS總線的第二個特點是現(xiàn)場級設備智能化，通過設置不同的功能塊軟件，這些軟件不僅具有測量、控制運算等自動控制基本功能，并且具有設備自診斷功能。FCS現(xiàn)場設備抗*力強，滿足本質(zhì)安全防爆要求，并可通過傳輸線路為FCS現(xiàn)場設備提供電源。
　　
　　（2）FCS的優(yōu)勢。FCS的優(yōu)勢可以簡化地概括為四個方面。*，全開放式通信網(wǎng)絡。由于FCS規(guī)約了網(wǎng)絡的通信協(xié)議，對不同的供貨商的控制產(chǎn)品，可實現(xiàn)通信互聯(lián)，為實現(xiàn)現(xiàn)代電廠工廠級自動化系統(tǒng)提供了必要的條件。第二，提高了系統(tǒng)的準確性和可靠性，采用智能化的FCS現(xiàn)場級設備，數(shù)字通信方式，減少了信號傳輸誤差。第三，節(jié)省了系統(tǒng)布線，采用通信技術(shù)，用一條電纜連接FCS現(xiàn)場設備，節(jié)約了布線設備及安裝。第四，實現(xiàn)了現(xiàn)場級設備的自動控制，現(xiàn)場級智能化設備不僅具有信號測量與隔離、信號整理及控制運算等功能，還具有設備自診斷及簡單故障處理的維護功能，簡化了系統(tǒng)，提高了自動化控制水平。
　　
　　2．FCS在火電廠的應用功能
　　
　　結(jié)合FCS的技術(shù)特點和優(yōu)勢，可以將FCS在火電廠的應用功能，初步歸納為以下幾個方面：
　　
　　（1）增強了通信功能。采用FCS通信技術(shù)，實現(xiàn)火電廠中不同控制系統(tǒng)之間的通信互聯(lián)。
　　
　　（2）提高了現(xiàn)場級控制水平。對控制對象相對獨立，特別是對于在控制方式上具有共性的控制對象，采用FCS智能化現(xiàn)場設備，實現(xiàn)現(xiàn)場級自動控制。
　　
　　（3）節(jié)省投資。較大量地節(jié)省布線及相關安裝的投資費用。分散了控制功能，減少了集中控制的硬件設備和負擔。
　　
　　（4）提高了系統(tǒng)組態(tài)的靈活性。當過程控制需要增加或減少現(xiàn)場設備時，不必修改現(xiàn)場的接線．只需增加或減少FCS現(xiàn)場設備和通信接口。
　　
　　（5）提供了設備維護功能。FCS所具有的設備自診斷等維護功能，為設備的管理系統(tǒng)提供了設備的基礎信息。
　　
　　（二）FCS在火力發(fā)電廠的設計原則
　　
　　設計的原則應該是在安全可靠的基礎下，充分發(fā)揮FCS的功能優(yōu)勢，以達到提高控制水平的目的。
　　
　　1．滿足生產(chǎn)過程監(jiān)控的要求
　　
　　根據(jù)生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制的要求，確定FCS控制方案。這種要求主要體現(xiàn)在對實時性的要求，特別是對待火電廠中復雜的調(diào)節(jié)或監(jiān)控方案，更要進行充分的預設計，進而確定控制方案。
　　
　　2．FCS的設備選擇
　　
　　根據(jù)已確定的控制方案和通信模式，包括通信速率、通信距離及通信協(xié)議，選擇能滿足控制要求和通信模式的FCS設備。根據(jù)設計方案中的供電方式，選擇FCS設備的總線供電方式，或者外供電方式。根據(jù)FCS布置環(huán)境，確定是否采用本安防爆型FCS設備。還需三點強調(diào)的選擇原則是，被選擇的FCS設備必須是被授予過現(xiàn)場總線標志的產(chǎn)品，確保通信的一致性與開放性。
　　
　　3．突出FCS的優(yōu)勢
　　
　　采用FCS的設計方案，應能充分體現(xiàn)出FCS的優(yōu)勢，使FCS的應用具有實際提高控制水平的意義。
　　
　　（三）FCS在火力發(fā)電廠的應用范圍
　　
　　FCS在火電廠的應用范圍，可以從構(gòu)成全電廠的工廠級自動化系統(tǒng)的整體來綜合考慮。面對火電廠多項實時性要求高、系統(tǒng)復雜的過程監(jiān)視和控制任務，采取DCS與FCS共存，發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢，乃是一種現(xiàn)階段可選的方案。基于這種思路，初步提出以下FCS的應用范圍。
　　
　　智能化的FCS現(xiàn)場級設備，數(shù)字通信方式，減少了信號傳輸誤差。第三，節(jié)省了系統(tǒng)布線，采用通信技術(shù)，用一條電纜連接FCS現(xiàn)場設備，節(jié)約了布線設備及安裝。第四，實現(xiàn)了現(xiàn)場級設備的自動控制，現(xiàn)場級智能化設備不僅具有信號測量與隔離、信號整理及控制運算等功能，還具有設備自診斷及簡單故障處理的維護功能，簡化了系統(tǒng)，提高了自動化控制水平。
　　
　　2．FCS在火電廠的應用功能
　　
　　結(jié)合FCS的技術(shù)特點和優(yōu)勢，可以將FCS在火電廠的應用功能，初步歸納為以下幾個方面：
　　
　　（1）增強了通信功能。采用FCS通信技術(shù)，實現(xiàn)火電廠中不同控制系統(tǒng)之間的通信互聯(lián)。
　　
　　（2）提高了現(xiàn)場級控制水平。對控制對象相對獨立，特別是對于在控制方式上具有共性的控制對象，采用FCS智能化現(xiàn)場設備，實現(xiàn)現(xiàn)場級自動控制。
　　
　　（3）節(jié)省投資。較大量地節(jié)省布線及相關安裝的投資費用。分散了控制功能，減少了集中控制的硬件設備和負擔。
　　
　　（4）提高了系統(tǒng)組態(tài)的靈活性。當過程控制需要增加或減少現(xiàn)場設備時，不必修改現(xiàn)場的接線．只需增加或減少FCS現(xiàn)場設備和通信接口。
　　
　　（5）提供了設備維護功能。FCS所具有的設備自診斷等維護功能，為設備的管理系統(tǒng)提供了設備的基礎信息。
　　
　　（二）FCS在火力發(fā)電廠的設計原則
　　
　　設計的原則應該是在安全可靠的基礎下，充分發(fā)揮FCS的功能優(yōu)勢，以達到提高控制水平的目的。
　　
　　1．滿足生產(chǎn)過程監(jiān)控的要求
　　
　　根據(jù)生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制的要求，確定FCS控制方案。這種要求主要體現(xiàn)在對實時性的要求，特別是對待火電廠中復雜的調(diào)節(jié)或監(jiān)控方案，更要進行充分的預設計，進而確定控制方案。
　　
　　2．FCS的設備選擇
　　
　　根據(jù)已確定的控制方案和通信模式，包括通信速率、通信距離及通信協(xié)議，選擇能滿足控制要求和通信模式的FCS設備。根據(jù)設計方案中的供電方式，選擇FCS設備的總線供電方式，或者外供電方式。根據(jù)FCS布置環(huán)境，確定是否采用本安防爆型FCS設備。還需三點強調(diào)的選擇原則是，被選擇的FCS設備必須是被授予過現(xiàn)場總線標志的產(chǎn)品，確保通信的一致性與開放性。
　　
　　3．突出FCS的優(yōu)勢
　　
　　采用FCS的設計方案，應能充分體現(xiàn)出FCS的優(yōu)勢，使FCS的應用具有實際提高控制水平的意義。
　　
　　（三）FCS在火力發(fā)電廠的應用范圍
　　
　　FCS在火電廠的應用范圍，可以從構(gòu)成全電廠的工廠級自動化系統(tǒng)的整體來綜合考慮。面對火電廠多項實時性要求高、系統(tǒng)復雜的過程監(jiān)視和控制任務，采取DCS與FCS共存，發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢，乃是一種現(xiàn)階段可選的方案。基于這種思路，初步提出以下FCS的應用范圍。
　　
　　（1）采用PLC可編程控制器，實現(xiàn)監(jiān)控的全廠輔助公用系統(tǒng)：選用遵循現(xiàn)場總線通信協(xié)議的PLC可編程控制器，對火電廠多個輔助公用系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控，通過現(xiàn)場總線通信技術(shù)，建立全廠輔助公用系統(tǒng)PLC網(wǎng)絡，提高電廠的監(jiān)控和管理水平。
　　
　　（2）地域分散的單沖量調(diào)節(jié)項目：對地域分散布置的調(diào)節(jié)閥，或設置有多個具有調(diào)節(jié)共性的控制對象的區(qū)域，或火電廠改造中擬增加的調(diào)節(jié)項目且DCS已不便修改的項目，可按區(qū)域采用FCS設備，實現(xiàn)現(xiàn)場控制。
　　
　　（3）地域分散的獨立電動控制裝置：對分散布置在電廠的電動裝置（電動閥或電動機），或在工程后續(xù)階段及電廠改造中擬增加的單位電動裝置。
　　
　　（4）全廠的設備狀態(tài)檢修，設備管理系統(tǒng)。
　　
　　（5）電廠改造過程中新增的監(jiān)控區(qū)域。
　　
　　三、采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（F（踢）的幾種設計思路
　　
　　目前，在DCS已形成火電廠的主要控制系統(tǒng)的情況下，F(xiàn)CS的應用應考慮到與DCS共存的協(xié)調(diào)。作者擬從三個方面提出在火電廠采用FCS的設計思路。　　
　　（一）建立全廠輔助公用系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡：
　　
　　火電廠建設中，相對獨立的輔助公用系統(tǒng)大約有10～15個。近兩年來，新建的大型火電廠在設計階段，大多采用PLC可編程控制器，建立PLC全廠輔助公用系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡，集中監(jiān)控點，分散控制，并通過通信接口將信息向上通信至工廠級自動化系統(tǒng)。目前，這種設
　　
　　計方式已被廣泛采納。
　　
　　1．新建電廠輔助公用網(wǎng)絡的建立
　　
　　采用遵循性開放式現(xiàn)場總線通信標準的PLC（例如PROFIBUS現(xiàn)場總線通信標準），設置在電廠的多個輔助公用系統(tǒng)車間，這些輔助公用系統(tǒng)包括有化學車間、工業(yè)用水車間、污水處理車間、輸煤車間、除灰車間、除渣車間、除塵車間、空壓機車間、制氫站及根據(jù)工業(yè)系統(tǒng)的不同而設置的其他輔助公用系統(tǒng)車間。電廠輔助公用系統(tǒng)的監(jiān)控信號主要是開關量，模擬量調(diào)節(jié)項目較少，選用PLC可編程控制器，實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，往往是一種方案。設計中，依據(jù)各輔助公用系統(tǒng)的測控點的量，按系統(tǒng)、按車間分布地域進行小歸類，例如對于化學車間，便可將化水處理、化學加藥、化水的制氫歸為一類，設置為一個PLC控制點。還可將工業(yè)水系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)也歸納為一個控制點，或合并至化學車間控制點。具體的分類可按工程的需要來確定。
　　
　　通過建立全廠輔助公用系統(tǒng)PLC網(wǎng)絡，設置車間工作站（主要用于現(xiàn)場調(diào)試和維護）和中央監(jiān)控站。全電廠可以設置2～3個輔助公用系統(tǒng)監(jiān)控分站，例如，水系統(tǒng)監(jiān)控站、煤系統(tǒng)監(jiān)控站和灰系統(tǒng)監(jiān)控站，還可以在主控制室設中央監(jiān)控站。根據(jù)電廠的管理模式的需要，方便地選擇集中或者分站監(jiān)控方式。輔助公用系統(tǒng)的信息通過網(wǎng)絡通信至工廠級自動化系統(tǒng)，加強全廠信息的綜合管理，提高控制水平。
　　
　　2．改造電廠輔助公用網(wǎng)絡的建立
　　
　　國內(nèi)大多數(shù)2000年以前建設的火電廠中的輔助公用系統(tǒng)的監(jiān)控方式，仍然是各車間設模擬表盤，或者雖采用了PLC可編程控制器實現(xiàn)程序控制，但實際上各輔助車間相互獨立，沒有建立網(wǎng)絡。這樣的監(jiān)控模式，不僅值班點多，而且無法進行信息通信，即使建立了全廠工廠級自動化系統(tǒng)，也無法獲取輔助公用系統(tǒng)的信息，這種模式顯然已不能適應當今信息時代的發(fā)展，無論是從電廠的整體管理及有待開發(fā)的設備管理系統(tǒng)來考慮，還是按地域劃分的電力公司的管理去思考，改造老電廠輔助公用系統(tǒng)，建立遵循現(xiàn)場總線通信標準的PLC監(jiān)控網(wǎng)絡，已勢在必行。
　　
　　（二）實現(xiàn)單位項目的監(jiān)控
　　
　　1．智能化FCS現(xiàn)場設備在火電廠的應用
　　
　　智能化FCS現(xiàn)場設備，包括有智能化的傳感器、執(zhí)行器及通信接口設備等。根據(jù)生產(chǎn)過程控制的需要，通過嵌入在FCS智能化現(xiàn)場設備中的功能塊軟件組態(tài)，對需要監(jiān)控的生產(chǎn)過程對象，實現(xiàn)測量信號處理、開方、加減、PID運算以及超前、延時、函數(shù)運算等功能，將控制指令傳至智能化執(zhí)行器（或調(diào)節(jié)閥的智能定位器），自動在現(xiàn)場完成對生產(chǎn)過程對象的調(diào)節(jié)和控制。
　　
　　2．實現(xiàn)生產(chǎn)過程的單位項目的監(jiān)控
　　
　　正因為FCS現(xiàn)場設備具有智能化功能，在火電廠熱工自動化設計中，可以有選擇地將一些測量點和控制點布置位置相近的單位調(diào)節(jié)或單位控制項目采用FCS現(xiàn)場設備，實現(xiàn)現(xiàn)場控制。在火電廠的過程控制范圍中，這些單位項目可以有：磨煤機制粉區(qū)域的溫度、壓力調(diào)節(jié)項目，高壓（低壓）加熱器區(qū)域的液位、壓力調(diào)節(jié)項目，遠離電廠主廠房的水泵房區(qū)域的調(diào)節(jié)、監(jiān)控項目，電廠中需要實施監(jiān)控的、孤立布置的一些液罐、液池、料位容器、調(diào)節(jié)閥門以及相對獨立布置的電動閥、電動機裝置。
　　
　　在實際工程中，有些單位項目的監(jiān)控已經(jīng)納入DCS控制中，或者采用基地式調(diào)節(jié)方案，但在新建工程中，仍可進行設計方案比較。例如，目前市場上滿足FCS開放性通信標準的智能變送器與非智能變送器差價不大，許多新建工程采用的變送器已全部智能化。在這種情況下，對確定的單位監(jiān)控項目，進一步選用嵌有相應功能塊軟件的智能變送器、智能執(zhí)行器，實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)節(jié)和監(jiān)控，用一條電纜實現(xiàn)現(xiàn)場設備連接，不但可節(jié)省大量的控制接線，滿足生產(chǎn)過程監(jiān)控的要求，并且，因為采用了智能變送器和執(zhí)行器，也為今后進一步在電廠內(nèi)實現(xiàn)設備狀態(tài)檢修和自動設備管理，提供了現(xiàn)場硬件設備基礎。
　　
　　同樣，在老電廠改造項目中，可以在不改變原有DCS控制方式的基礎上，通過增加FCS現(xiàn)場設備，改造監(jiān)控項目。
　　
　　（三）實現(xiàn)設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)的應用設想
　　
　　設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)，目前在我國尚處于開發(fā)與試驗階段，作者在本文中提出設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)，主要是基于兩方面的設想，一方面是生產(chǎn)過程控制中采用的FCS設備本體己具有的設備狀態(tài)描述功能和設備故障自診斷功能。另一方面是設想采用FCS設備實現(xiàn)火電廠主要輔機的設備狀態(tài)描述和設備故障自診斷功能，相對獨立地建立設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)。
　　
　　1．FCS設備狀態(tài)檢修
　　
　　智能化的FCS設備，通過現(xiàn)場總線傳遞的數(shù)字信號，不僅包括反映生產(chǎn)過程參數(shù)的測量信息，還包括了多種FCS設備制造商提供的設備原始信息。這些信息可以是：被測量參數(shù)的單位、量程上下限、阻尼、儀表位號、zui小量程間隔、設備型號、制造商、設備版本號、設備制造日期、設備材料等，除了這些FCS設備通常具有的共性外，對于一些特定設備，還有一些特定描述。例如，對測溫傳感器，可以包括有熱元件型號、連線方式、允許測量范圍等信息。通過FCS設備傳遞的設備本體信息，電廠設備管理系統(tǒng)可以對FCS設備進行有效的管理。由于目前大多FCS現(xiàn)場設備遵循HART通信協(xié)議標準，通過的遵循HART通信協(xié)議標準的現(xiàn)場儀表校驗設備，方便地完成設備的定期校驗和記錄。通過總線通信，將信息送至上層設備管理系統(tǒng)，實現(xiàn)科學管理。
　　
　　2．采用FCS設備實現(xiàn)火電廠主要輔機設備的狀態(tài)檢修
　　
　　對火電廠的主要輔機設備建立設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)，是近幾年來人們共同關心的課題。由于是一個新課題，在國內(nèi)尚屬開發(fā)階段。作者認為，在火電廠中，DCS控制系統(tǒng)主要完成電廠中實時性要求高的監(jiān)控項目，而設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)采集的信息，有很大一部分是設備的非實時信息，即使是實時變量，設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)對信息的實時性要求也不高。由于系統(tǒng)需要采集的信息分散在電廠的各輔機現(xiàn)場，布線區(qū)域廣，如果將其全部納入DCS系統(tǒng)，顯然是不合適的。如果采用FCS現(xiàn)場設備將主要輔機設備的狀態(tài)檢修功能置于現(xiàn)場，作者認為這也是一種可探討的方案，因為FCS總線的優(yōu)勢之一便是適于地域分散布置的被控對象。一方面，可節(jié)省布線；另一方面，可通過FCS總線的設備管理模塊軟件的功能，對采集到的反映設備狀態(tài)的溫度、壓力、振動、聲音、應力、強度等參數(shù)，結(jié)合來自設備制造商提供的反映設備狀態(tài)的原始參數(shù)和設定時間段記錄的歷史數(shù)據(jù)，進行現(xiàn)場信息處理、分析和比較，再將分析結(jié)果通過總線通信至上層設備管理層，實現(xiàn)主要輔機設備檢修的科學管理。
　　
　　采用FCS設備構(gòu)成設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)，具有一定的優(yōu)勢，這是因為獨立設置的FCS設備，與DCS系統(tǒng)在硬件或軟件方面都有明顯的界限，系統(tǒng)初建投入運行的時間也可以較DCS滯后。這種設計設想，可以用于新建電廠，更有利于老電廠改造，因為系統(tǒng)的建立不會破壞老電廠原有的控制系統(tǒng)。需要注意的是，設備的狀態(tài)測點，有一部分已由DCS采集，因此這—部分信息是通過現(xiàn)場采集，還是通過總線通信，取決于設備狀態(tài)檢修的軟件分析功能是設置在現(xiàn)場FCS設備中，還是設置在上層網(wǎng)絡系統(tǒng)中，這是一個需要進一步深入研究的問題。如果是在新建電廠，則電廠新建時，應充分考慮設備狀態(tài)檢修的測點布置。在廠區(qū)采用一條電纜將FCS現(xiàn)場設備連接起來，節(jié)省的布線方式，既利于新廠建立系統(tǒng)，更利于在老廠改造中建立系統(tǒng)。
　　
　　四、結(jié)語
　　
　　通過分析現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在火電廠的應用功能，結(jié)合熱工自動化設計的新技術(shù)，提出FCS在火電廠應用的幾種設計思路。隨著FCS的不斷優(yōu)化和進步，隨著熱工自動化設計技術(shù)的提高，F(xiàn)CS在火電廠的應用將更廣泛，以其具有開放性數(shù)字通信的特點，為發(fā)展火電廠熱工自動化技術(shù)發(fā)揮作用。